La superficie rejuvenecida mejora la resistencia interfacial del electrodo de oxígeno y el electrolito. Crédito:Naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04457-y
El desarrollo de celdas electroquímicas nuevas y más eficientes podría proporcionar una buena opción para la producción de hidrógeno y productos químicos libres de carbono junto con la generación y el almacenamiento de electricidad a gran escala.
Pero primero, los científicos deben superar varios desafíos, incluido cómo hacer que las células sean más eficientes y rentables.
Recientemente, un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional de Idaho utilizó un proceso simple para unir materiales con mayor fuerza dentro de celdas electroquímicas de cerámica protónica, también conocidas como PCEC, resolviendo un misterio que había limitado el rendimiento de la tecnología. Los resultados se publicaron en el último número de Nature . Este es el primer artículo de investigación dirigido por INL publicado en esa revista en casi 30 años.
El equipo incluyó investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad Estatal de Nuevo México y la Universidad de Nebraska-Lincoln.
Así como las baterías recargables utilizan la química para almacenar electricidad para su uso posterior, los PCEC pueden convertir el exceso de electricidad y agua en hidrógeno. Los PCEC también pueden operar a la inversa, convirtiendo el hidrógeno en electricidad. La tecnología utiliza materiales cristalinos llamados perovskitas, que son económicos y capaces de operar en una amplia gama de temperaturas.
Los investigadores en los EE. UU. están desarrollando celdas electroquímicas principalmente para la generación de hidrógeno, pero también para otras aplicaciones. El hidrógeno producido por estas celdas también se puede utilizar como combustible para calefacción, vehículos, producción química u otras aplicaciones.
En teoría, las PCEC deberían operar de manera más eficiente en un rango más amplio de temperaturas que tipos similares de celdas electroquímicas. Pero hasta ahora, los investigadores no pudieron alcanzar el potencial teórico de la tecnología.
"Los PCEC deberían funcionar bien debido a su alta conductividad y pequeña energía de activación asociada", dijo Dong Ding, un distinguido ingeniero/científico del INL. "Sin embargo, descubrimos que su rendimiento actual es más bajo de lo que esperábamos, y nuestro equipo en INL se ha dedicado a comprender por qué desde 2017".
El equipo se dispuso a resolver el misterio midiendo qué tan bien fluían los protones (átomos de hidrógeno cargados positivamente) a través de la interfaz electrodo/electrolito. Efectivamente, la interfaz era el problema. Específicamente, Wei Wu, investigador de ingeniería de materiales en INL, sospechó que el electrodo y el electrolito no estaban lo suficientemente unidos.
Ding y sus colegas usaron un tratamiento ácido simple para unir el electrodo al electrolito, lo que permitió una transferencia de energía más eficiente. "El tratamiento con ácido simple puede rejuvenecer la superficie del PCEC, para ayudarlo a lograr el máximo rendimiento", dijo Wenjuan Bian, becario postdoctoral y principal colaborador de este proyecto. "Este enfoque se puede escalar e integrar fácilmente para la fabricación de celdas grandes y pilas"
Tras un examen minucioso, los investigadores descubrieron que el tratamiento con ácido aumentaba el área de contacto entre el electrodo y el electrolito, desbastando la superficie de la misma manera que un alfarero desbastaría la arcilla húmeda de una taza antes de colocar el asa.
El área de superficie aumentada provocó una unión más estrecha entre el electrodo y el electrolito que permitió un flujo más eficiente de átomos de hidrógeno. Además, la estabilidad de la celda mejoró significativamente, especialmente bajo ciertas condiciones extremas.
Este proceso podría abrir las puertas a numerosas aplicaciones de "hidrógeno verde y limpio", dijo Wu.
"El PCEC de alto rendimiento nos permite bajar la temperatura de funcionamiento a 350 C", dijo Ding. "La temperatura de operación reducida permite materiales más baratos para el ensamblaje a gran escala, incluida la pila. Más importante aún, la tecnología opera dentro del mismo rango de temperatura que varios procesos industriales actuales importantes, incluida la producción de amoníaco y CO2 reducción. Igualar estas temperaturas acelerará la adopción de la tecnología dentro de la industria existente. De hecho, estamos acelerando la ampliación de estas celdas en INL al integrar esta tecnología en nuestros procesos de fabricación". + Explore más
